3. Передача радиоволн

Определения и обозначения

Несущие колебания — высокочастотные электромагнитные колебания, которые переносят радиосигнал. Их частота намного выше частоты звукового сигнала. Несущая нужна, чтобы передавать информацию радиоволной и принимать её антенной.

Модуляция — изменение одного из параметров несущих колебаний по закону передаваемого низкочастотного сигнала. Таким параметром может быть амплитуда или частота. Благодаря модуляции особенности исходного сигнала оказываются закодированы в несущей.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды несущих колебаний в соответствии с передаваемым сигналом при практически неизменной частоте. Чем больше значение сигнала, тем больше амплитуда колебаний в соответствующий момент. Этот способ позволяет передать форму звукового сигнала.

Детектирование — выделение низкочастотного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний в приёмнике. На выходе детектора получают сигнал, связанный с исходным звуком. Его затем можно усилить и подать на громкоговоритель.

Как это устроено

Звук распространяется в воздухе как низкочастотная механическая волна, поэтому сам по себе он не является радиосигналом. Если попытаться непосредственно излучить такие медленные колебания антенной, излучение будет неэффективным: размеры обычной антенны слишком малы по сравнению с длиной волны. Поэтому микрофон сначала преобразует звук в электрический сигнал, а для передачи используют высокочастотные несущие колебания. Их можно эффективно излучать антенной, сохраняя информацию о звуке с помощью модуляции.

В передатчике создаются несущие колебания, а электрический сигнал от микрофона управляет их параметрами. При амплитудной модуляции амплитуда несущей меняется вслед за сигналом: когда сигнал возрастает, колебания становятся сильнее, а когда убывает — слабее. Частота несущих колебаний при этом остаётся практически неизменной. Если изобразить высокочастотные колебания, их внешняя огибающая повторит изменения передаваемого сигнала.

Модулированный переменный ток проходит по передающей антенне. Заряды в ней движутся с ускорением, поэтому создают меняющееся электромагнитное поле; это поле не остаётся только около антенны, а распространяется в пространстве как электромагнитная волна. Частота излучаемой волны связана с частотой тока в антенне, то есть с частотой несущей. Модуляция переносится волной в виде изменений её амплитуды.

Когда радиоволна достигает приёмной антенны, меняющееся электромагнитное поле действует на свободные заряды в проводнике и вызывает переменный ток. В этом токе присутствуют быстрые колебания, соответствующие несущей, а их амплитуда меняется по закону принятого сигнала. Поэтому частота принимаемых колебаний соответствует частоте несущей, а не звуковой частоте. Чтобы выделить нужную станцию, приёмник настраивают на её несущую частоту.

В приёмнике детектор отделяет низкочастотные изменения от быстрых колебаний несущей. В результате получают электрический сигнал, форма которого соответствует переданному звуку. Сам детектор не создаёт звук и не выполняет основное усиление: выделенный сигнал усиливают отдельные цепи приёмника. Затем громкоговоритель преобразует электрические колебания обратно в звуковые.

Этапы передачи и приёма радиосигнала

Таблица показывает путь сигнала от источника звука до слушателя. Для каждого этапа важно различать действие устройства и получаемый результат. Проследите строки по порядку, чтобы увидеть, где сигнал меняет форму, а где переносится волной.

Разбор задач

1. Частота несущей при амплитудной модуляции

На передатчике несущие колебания имеют частоту 1,0 МГц. Нужно определить, как изменится эта частота при амплитудной модуляции звуковым сигналом. Сначала выясним, какой именно параметр меняется при данном способе модуляции. Это позволит не спутать частоту несущей с частотой звука.

1. При амплитудной модуляции по закону звукового сигнала меняется амплитуда несущих колебаний.
2. Частота несущей — 1,0 МГц — остаётся практически постоянной; модуляция не заменяет её частотой звука.
3. Следовательно, в идеализированном описании частота равна 1,0 МГц, хотя в реальном сигнале возможны небольшие отклонения.

Ответ: частота несущей практически не изменяется и остаётся равной 1,0 МГц. Звуковой сигнал меняет амплитуду колебаний.

2. Изображение амплитудно-модулированных колебаний

Передаваемый сигнал сначала возрастает, затем убывает. Требуется качественно показать амплитудно-модулированные колебания, а не вычислить их численные значения. Поэтому достаточно проследить, как сигнал управляет амплитудой несущей. Частоту быстрых колебаний при построении сохраняют примерно одинаковой.

1. Нарисуйте ось времени и отметьте направление изменения передаваемого сигнала: сначала его значение увеличивается, потом уменьшается.
2. Вокруг оси колебаний проведите огибающую, которая сначала удаляется от оси, а затем приближается к ней.
3. Заполните пространство между линиями огибающей частыми колебаниями одинакового периода. Их размах должен следовать за огибающей.

Ответ: получится высокочастотная «волна» с возрастающей, а затем убывающей амплитудой. Огибающая повторяет форму низкочастотного сигнала, но сами колебания остаются частыми.

3. Путь речи от микрофона до громкоговорителя

Нужно расположить преобразования сигнала в правильном порядке и объяснить назначение каждого этапа. Начинать следует с устройства, которое взаимодействует с источником звука, а закончить — с устройством, которое создаёт звук для слушателя. Между ними сигнал проходит через передатчик, радиоканал и приёмник.

1. Микрофон преобразует речь в низкочастотный электрический сигнал, сохраняющий изменения звука.
2. Передатчик создаёт высокочастотную несущую и модулирует её сигналом микрофона, чтобы подготовить информацию к радиопередаче.
3. Ток в передающей антенне излучает модулированную радиоволну, которая распространяется до приёмника.
4. Приёмная антенна преобразует воздействие волны в электрические колебания на частоте несущей.
5. Детектор выделяет низкочастотную составляющую, а усилитель повышает её мощность для работы громкоговорителя.
6. Громкоговоритель превращает усиленный электрический сигнал в звук.

Ответ: микрофон → электрический сигнал → модуляция несущей → излучение → приём → детектирование и усиление → громкоговоритель. Каждый этап нужен либо для переноса информации радиоволной, либо для восстановления слышимого звука.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что радиоволна переносит звук непосредственно. Такое представление возникает потому, что радиоприёмник позволяет услышать переданную речь, но между звуком и волной есть несколько преобразований. Проверьте себя: в начале цепочки микрофон создаёт электрический сигнал, которым модулируют несущую.

Ошибка: путать частоту несущей и частоту звукового сигнала. Их смешивают, поскольку оба значения относятся к колебаниям, хотя несущая намного выше по частоте. При проверке назовите параметры отдельно: звуковой сигнал задаёт изменения амплитуды, а частота несущей при АМ почти не меняется.

Ошибка: считать модуляцию простым сложением звукового и высокочастотного сигналов. Так может показаться, если представить сигналы как две независимые волны, наложенные друг на друга. Проверьте смысл процесса: при амплитудной модуляции изменяется параметр несущей — её амплитуда — по закону передаваемого сигнала.

Ошибка: думать, что детектор усиливает радиоволны или сам создаёт звук. Причина — в приёмнике все этапы объединены в одно устройство, хотя они выполняют разные функции. Детектор выделяет низкочастотный сигнал, усилитель повышает его мощность, а громкоговоритель преобразует его в звук.

Связь с другими темами

Для понимания радиопередачи нужно знать, как возникают и распространяются электромагнитные волны, а также как колебания в антенне связаны с излучением. Пригодятся знания о периодических электрических колебаниях, их частоте и амплитуде. Ещё одна необходимая связь — преобразование звука в электрический сигнал с помощью микрофона. Эти идеи применяются при изучении радиосвязи, устройства радиоприёмников и других способов передачи информации.

Что запомнить

• Для радиопередачи используют высокочастотные несущие колебания.
• Модуляция связывает параметры несущей с передаваемым сигналом.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущих колебаний.
• Передающая антенна излучает электромагнитные волны.
• Приёмная антенна преобразует пришедшую волну в электрические колебания.
• Детектор выделяет низкочастотный сигнал из модулированных колебаний.